信息工程概論課件 第五講 信息的獲取

第5講信息的獲取人們要想認識世界，首先就必須能夠獲得事物的本體論信息，并把本體論意義的信息轉(zhuǎn)變?yōu)榈谝活愓J識論信息。這種轉(zhuǎn)變的過程，就是信息獲取的過程，如下圖。5.1機器感知信息科學(xué)導(dǎo)論分析表明，信息獲取的首要環(huán)節(jié)是信息的“感知”，即感知事物運動的狀態(tài)及其變化的方式，或者說是通過客體事物與認識主體的相互作用把事物的本體論信息轉(zhuǎn)變?yōu)榈谝活愓J識論意義的信息，如下圖所示。5.1機器感知信息科學(xué)導(dǎo)論應(yīng)當(dāng)注意的是，就信息的“機器感知”而言，它只“感受”到了事物運動狀態(tài)及狀態(tài)變化方式的形式，并不“知曉”事物運動狀態(tài)及其變化方式的邏輯含義和效用價值。因此，機器感知的輸出結(jié)果只是語法信息，而沒有語義信息或語用信息。5.1機器感知研究結(jié)果表明，信息感知的基本機制在于要有某種組織或器官（在人工系統(tǒng)場合則是某種器件或系統(tǒng)）能夠靈敏地感受到某種事物運動的狀態(tài)及其變化的方式，也就是說，要有某種組織或器件，能夠在某種事物運動狀態(tài)及其變化方式的刺激下產(chǎn)生相應(yīng)的響應(yīng)，而且，這種刺激與響應(yīng)關(guān)系應(yīng)當(dāng)滿足一定的條件。信息科學(xué)導(dǎo)論如果用符號u表示感知系統(tǒng)的輸入刺激，用符號v表示感知系統(tǒng)的輸出響應(yīng)，用符號U表示感知系統(tǒng)的敏感域，用符號V表示感知系統(tǒng)輸出響應(yīng)的動態(tài)范圍，那么，所希望的感知系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系可以表述為5.1機器感知顯然，上式所規(guī)定的是一類“完全的一一對應(yīng)”的互逆函數(shù)f的集合。這種函數(shù)關(guān)系可以保證感知過程的理想特性，完全不丟失信息。信息科學(xué)導(dǎo)論在大多數(shù)實際情況下，可以允許丟失一些非本質(zhì)的信息。這時，“完全一一對應(yīng)的互逆函數(shù)關(guān)系”可以有一定的放松，上式可以退化為這里，g不一定正好是f--1，d(u,u’)是u與u’之間的差異測度，ε是這種差異測度的允許值，u’是根據(jù)感知系統(tǒng)f的響應(yīng)v通過反變換g所復(fù)制的刺激。

5.1機器感知信息科學(xué)導(dǎo)論只有當(dāng)滿足條件

g=f--1

且

f·f--1=1

時才會有u’=u以及d(u,u’)=0。5.1機器感知分析和實驗都表明，雖然人的感覺器官在感知外部事物的信息方面具有十分精巧的工作機制，但同時也存在一些天然的缺陷，這主要表現(xiàn)在：敏感域有限；敏感度有限；分辨力不高。信息科學(xué)導(dǎo)論對信息感知的過程和實現(xiàn)技術(shù)做出如下的歸納。第一，信息感知系統(tǒng)由敏感單元和表示單元構(gòu)成。敏感單元對事物運動的狀態(tài)及其變化方式高度敏感，能夠產(chǎn)生與“事物運動狀態(tài)及其變化方式”相對應(yīng)的實際響應(yīng)。表示單元則把敏感單元的實際輸出響應(yīng)通過適當(dāng)?shù)姆绞奖硎境鰜?，便于觀察、處理和利用。5.1機器感知第二，鑒于“事物的運動狀態(tài)及其變化方式”的無限多樣性，應(yīng)當(dāng)針對不同事物的運動狀態(tài)及其變化方式研制出不同的敏感單元，以獲得盡可能高的敏感度、分辨率和保真度。信息科學(xué)導(dǎo)論第三，由于電信號和光信號的處理技術(shù)比較成熟，處理也比較方便，表示單元往往都把敏感單元的輸出響應(yīng)轉(zhuǎn)換為電信號或光信號的表示形式。在這個意義上，表示單元可以被理解為“換能器”：非電（光）變化轉(zhuǎn)換為電（光）變化。5.1機器感知第四，在復(fù)雜情況下，如果“事物”產(chǎn)生的運動以某種復(fù)合方式表現(xiàn)信息：可視的、可聞的、可嗅的…，那么，為了感知這些信息就需要采用多種傳感器，并對其中各種傳感器的輸出表示進行適當(dāng)?shù)木C合或融合。這就是分布式綜合感知群。信息科學(xué)導(dǎo)論值得強調(diào)的是，上述信息感知的原理根植于如下基本性質(zhì)之中，即：在不具有主體條件下的事物的本體論信息與相應(yīng)的第一類認識論層次語法信息之間有可能建立一定意義上的一一對應(yīng)關(guān)系。5.1機器感知

這是因為，兩者都可以分別表示為各自的肯定度空間（以離散情形為例）：

和信息科學(xué)導(dǎo)論只要兩個肯定度空間之間保持同構(gòu)關(guān)系或者等效關(guān)系，那么，本體論信息向第一類認識論語法信息的轉(zhuǎn)化就被認為是完全的、一一對應(yīng)的、或者互為可逆的。5.1機器感知信息感知的基本原理:

作為事物運動狀態(tài)和狀態(tài)變化方式的本體論信息可以通過與其它事物的相互作用而被后者所感知，條件是后者對前者的運動狀態(tài)及其變化方式敏感。信息科學(xué)導(dǎo)論信息感知的實質(zhì)是本體論信息向第一類認識論信息的語法信息的轉(zhuǎn)換，它的技術(shù)本質(zhì)是事物運動狀態(tài)及其變化方式的載體轉(zhuǎn)換。5.1機器感知由于具體事物運動狀態(tài)及其變化速度的有限性，信息感知在理論上有可能做到不丟失本體論信息的基本信息。但是，無論怎樣精巧地設(shè)計信息感知系統(tǒng)，它的第一類認識論信息的信息量（輸出信息量）都不可能超過本體論信息的信息量（輸入信息量）。這是信息獲取領(lǐng)域的信息不增原理。信息科學(xué)導(dǎo)論5.2信息的直接獲取5.2.1非電量電測各行各業(yè)中的很多“量”絕大多數(shù)都是非電量，如機械量（位移、尺寸、力、振動、速度等），熱工量（溫度、壓力、流量、物位等），成分量（化學(xué)成分、濃度等）和狀態(tài)量（顏色、透明度、磨損量、裂紋等）。需要將它們變換成電參量以便于測量，這就是非電量電測技術(shù)。將被測的非電量變換成電量的裝置稱為傳感器（也稱換能器、發(fā)送器、傳送器、變送器、檢測器、探頭）。國家標準（GB7665-87）中關(guān)于傳感器（Transducer/Sensor）的定義為：能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。信息科學(xué)導(dǎo)論該定義表達了四層含意：①傳感器是測量裝置，能完成檢測任務(wù)；②輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等；③輸出量是某種物理量，可以是氣、光、電物理量，主要是電物理量，應(yīng)當(dāng)便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等，；④輸出輸入有對應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。因此，傳感器的基本功用包括：感受被測信息,并把它表示出來。5.2信息的直接獲取信息科學(xué)導(dǎo)論對一個傳感器而言，僅有敏感單元只能實現(xiàn)感知，但不能實現(xiàn)測量，可以將傳感器細分為敏感元件、傳感元件和變換元件。

敏感元件：對待測的非電量敏感；就感知外界信息的原理來講，可分為①物理類，基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應(yīng)。②化學(xué)類，基于化學(xué)反應(yīng)的原理。③生物類，基于酶、抗體和激素等分子識別功能。通常根據(jù)傳感器的基本感知功能可分為熱敏、光敏、氣敏、力敏、磁敏、濕敏、聲敏、色敏和味敏元件、放射線敏感元件等。傳感元件：將一種非電量變換為另一種非電量；變換元件：將非電量變換為電量。有些傳感器可能不需要傳感元件；有些傳感器的轉(zhuǎn)換元件不只一個，要經(jīng)過若干次轉(zhuǎn)換；還有一些傳感器，上述三單元是一體的，即一個元件就可直接將被測非電量轉(zhuǎn)換為電量。5.2信息的直接獲取信息科學(xué)導(dǎo)論5.2信息的直接獲取幾種常見的物理效應(yīng)和傳感原理（1）磁電傳感：一般要利用磁場作為媒介或利用磁體的某些現(xiàn)象進行傳感，可以用來測量磁場、位移、流量、速度、厚度等物理量。其主要原理為：電磁感應(yīng)定理、磁阻效應(yīng)、霍耳效應(yīng)等。磁阻效應(yīng)：若給通以電流的金屬或半導(dǎo)體材料的薄片施加與電流垂直或平行的外磁場，其電阻值就增加。這種現(xiàn)象稱為磁致電阻變化效應(yīng)，簡稱為磁阻效應(yīng)。霍耳效應(yīng)：通電的導(dǎo)體或半導(dǎo)體，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。電渦流效應(yīng)：當(dāng)導(dǎo)體置于交變磁場或在磁場中運動時，根據(jù)電磁感應(yīng)定理導(dǎo)體上會產(chǎn)生感生電流，此電流在導(dǎo)體內(nèi)閉合，稱為渦流。信息科學(xué)導(dǎo)論5.2信息的直接獲取（2）光電傳感：物質(zhì)在光的作用下，光敏物質(zhì)中的電子直接吸收光子的能量足以克服原子核的束縛時，電子就會從基態(tài)被激發(fā)到高能態(tài)，脫離原子核的束縛，在外電場作用下參與導(dǎo)電，因而產(chǎn)生了光電效應(yīng)。根據(jù)這些原理，可以制成多種光電傳感器，如電荷耦合器件攝像機，數(shù)碼相機，自動沖水機、路燈控制器、光電計數(shù)器、煙霧報警器等都是利用了光電傳感器的原理。外光電效應(yīng)：是指物質(zhì)受光照時，具有能量hν的光子，被物質(zhì)吸收后激發(fā)出自由電子，當(dāng)自由電子的能量足以克服物質(zhì)表面勢壘并逸出物質(zhì)的表面時，就會產(chǎn)生光電子發(fā)射，逸出電子在外電場作用下形成光電子流。這種效應(yīng)多發(fā)生于金屬和金屬氧化物。這就是物質(zhì)的光電發(fā)射現(xiàn)象，又叫做外光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng),是指受光照而激發(fā)的電子在物質(zhì)內(nèi)部參與導(dǎo)電，電子并不逸出光敏物質(zhì)表面。這種效應(yīng)多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。信息科學(xué)導(dǎo)論5.2信息的直接獲?。?）力－電傳感：主要是利用敏感元件和變阻器把力學(xué)信號（位移、速度、加速度等）轉(zhuǎn)化為電學(xué)信號（電壓、電流等）的儀器。廣泛地應(yīng)用于社會生產(chǎn)、現(xiàn)代科技中，如安裝在導(dǎo)彈、飛機、潛艇和宇宙飛船上的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及ABS防抱死制動系統(tǒng)等。應(yīng)變效應(yīng):當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。壓阻效應(yīng):單晶硅材料在受到應(yīng)力作用后，其電阻率發(fā)生明顯變化，這種現(xiàn)象被稱為壓阻效應(yīng)。壓電效應(yīng)：一些離子型晶體的電介質(zhì)(如石英、酒石酸鉀鈉、鈦酸鋇等)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部就會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)；當(dāng)作用力方向改變時，電荷極性也隨著改變；這種現(xiàn)象稱為（正）壓電效應(yīng)。電致伸縮效應(yīng)：當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機械變形或機械壓力，當(dāng)外加電場撤去時，這些變形或應(yīng)力也隨之消失的現(xiàn)象，這也稱為逆壓電效應(yīng)。信息科學(xué)導(dǎo)論5.2信息的直接獲?。?）熱電傳感：熱電傳感器是利用熱敏電阻的阻值會隨溫度的變化而變化的原理制成的,如各種家用電器(空調(diào)、冰箱、熱水器、飲水機、電飯煲等)的溫度控制、火警報警器、工業(yè)過程控制等。熱電效應(yīng)：兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組合成閉合回路，若導(dǎo)體A和B的連接處溫度不同（設(shè)T＞T0），則在此閉合回路中就有電流產(chǎn)生，也就是說回路中有電動勢存在，這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)。這種現(xiàn)象早在1821年首先由西拜克（See－back）發(fā)現(xiàn),所以又稱西拜克效應(yīng)。熱電阻：有鉑、銅、鎳電阻等，主要原理是：溫度升高時會使導(dǎo)體中的分子運動加劇，載流子流動過程中會遇到更多和更劇烈的碰撞，從而使載流子運動阻力增大，導(dǎo)體的阻值增加。信息科學(xué)導(dǎo)論5.2信息的直接獲取5.電容傳感：用兩塊金屬平板作電極可構(gòu)成電容器，當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時，其電容C為S—極板相對覆蓋面積；d—極板間距離；εr—相對介電常數(shù)；ε0—真空介電常數(shù)，ε0＝8.85pF/m；d、S和εr中的某一項或幾項有變化時，就改變了電容C0；d或S的變化可以反映線位移或角位移的變化，也可以間接反映壓力、加速度等的變化；εr的變化則可反映液面高度、材料厚度等的變化。信息科學(xué)導(dǎo)論5.2信息的直接獲取（6）電感式傳感：是一種利用線圈自感和互感的變化實現(xiàn)非電量電測的裝置，如式式中：N為線圈的匝數(shù)；Rn為磁路總磁阻，磁阻與磁路的長度，銜鐵、鐵心、氣隙磁通的截面積、導(dǎo)磁率有關(guān)。通過改變這些參數(shù)就可測量位移、振動、壓力、應(yīng)變、流量、比重等。信息科學(xué)導(dǎo)論5.3信號規(guī)整傳感器雖然已將非電量轉(zhuǎn)換為電量，但常常信號是微弱的，不便于信息的傳輸和利用，還需要相應(yīng)的電路進行放大、去噪等處理；還有一些傳感器需要施以一定的激勵才能正常工作，一般也需要通過電子線路來形成激勵源。傳感器的輸出標準：如電流型的起始輸出為4mA，滿量程輸出為20mA；電壓型輸出的起始輸出電壓為0V，滿量程輸出為5V。采用這種標準輸出，就可以很方便的與各種應(yīng)用系統(tǒng)進行接口。為了測量的準確性，人們希望待測量與最后的輸出應(yīng)成線性關(guān)系，即在整個測量量程范圍內(nèi)，輸出與輸入之間成一種恒定的比例關(guān)系。但很多敏感器件的線性測量范圍很小，因此，需要通過電子線路來對信號進行規(guī)整，比如，進行線性校正，溫度校正、濕度校正、器件老化誤差校正等。信息科學(xué)導(dǎo)論5.4測量測量是為確定被測對象的量值而進行的處理過程。在這個過程中常需借助專門的設(shè)備，把被測對象直接或間接地與同類已知單位量進行比較，取得用數(shù)值和單位共同表示的測量結(jié)果。這樣，所獲取的信息就被量化了。一般而言，任何科學(xué)的結(jié)論都離不開測量，測量技術(shù)的進步會大大促進科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。反過來，科學(xué)技術(shù)的進步又會給測量理論的提高和測量技術(shù)的完善創(chuàng)造良好的條件。計量和測量既有聯(lián)系又有區(qū)別?？梢哉f計量是為了保證量值的統(tǒng)一和準確一致的一種手段。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，商品的交換和國際、國內(nèi)的廣泛交往，客觀上要求對同一量在不同的地方、用不同的測量手段測量時所得的結(jié)果互相一致。因而需要設(shè)定大家公認的統(tǒng)一的單位并統(tǒng)一這些單位的基準、標準和用這些基準、標準來校準測量器具，還得用法律的形式固定下來，這就是計量。它具有統(tǒng)一性、準確性和法制性三個特征。信息科學(xué)導(dǎo)論5.4測量狹義來說，電測量是在電子學(xué)中測量有關(guān)電的量，通常包含下面幾個方面：(1)電能量的測量，即測量電流、電壓、電功率等；(2)信號的特性及所受干擾的測量，例如信號的波形和失真度、頻率、相位、脈沖參數(shù)、調(diào)制度、信號頻譜、信噪比等；(3)元件和電路參數(shù)的測量，例如電阻、電感、電容、電子器件（電子管、晶體管、場效應(yīng)管等）、集成電路的測量；電路頻率響應(yīng)、通頻帶寬度、品質(zhì)因數(shù)、相位移、延時、衰減和增益的測量等等。